CN105471277A - 一种交流-交流变换拓扑电路结构及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流-交流变换拓扑电路结构及其应用，属于电力变换领域。一种交流-交流变换拓扑电路结构，包括输入端A、B、C，输出端N，还包括C₁、C₂、C₃，二极管D₁-D₆，开关电路模块K₁、K₂。三相变换拓扑电路结构，还包括开关电路模块K₃-K₆，电容C₄-C₉；交流-交流转换电路在三相变换拓扑电路结构基础上还包括电感L₁、L₂、L₃，电容C₁₆、C₁₇、C₁₈，C₁₉、C₂₀、C₂₁，和电容C₁、C₂、C₃，C₄、C₅、C₆。本发明直接使用电容结合开关电路的拓扑结构，构成AC-AC变换电路，将功率因数校正、功率变换及输出滤波这三种功能电路结合在一起，可以应用于高压和低压等领域，提高了电能转换效率，可四相限工作，简化了电路结构，控制简单，减小了对外电路的干扰，工程上对输出电缆长度无限制，对电网污染小。

Description

一种交流-交流变换拓扑电路结构及其应用

技术领域

本发明涉及电力变换领域，更具体地说，涉及一种交流-交流变换拓扑电路结构及其应用。

背景技术

在发展迅速的新器件、新技术大量涌现、技术不断成熟完善的当今电源行业技术市场，AC/DC(开关)电源、DC/AC(逆变)电源、DC/DC电源、变频电源、特种电源等的门类细分和技术发挥已经达到登峰造极的地步，技术市场的竞争日趋白热化，以至于积聚了一大批专业技术人才群体，形成了宏大规模的电源产业，带动一大批诸如磁性材料、集成电路等相关产业的蓬勃发展。

然而，在AC/AC变换电源领域，仍然是使用交流-直流-交流变换器为主的局面，其技术几十年来未有大的改变，现有技术设备结构复杂、可控性差、成本高、结构大、对电网的干扰强、且转换效率不高。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的效率低、结构复杂、控制困难、对电网污染大、对输出电缆长度限制大的问题，本发明提供了一种交流-交流变换拓扑电路结构及其应用，它提高了电能与机械能之间的转换效率，可以四相限工作、简化了电路结构、控制简单、减小了对外电路的干扰，工程上对输出电缆长度无限制、对电网污染小。

2.技术方案

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种交流-交流变换拓扑电路结构，包括输入端A、B、C，输出端N，还包括C₁、C₂、C₃，二极管D₁-D₆，开关电路模块K₁、K₂，其中电容C₁、C₂、C₃容量和耐压相同，电容C₁、C₂、C₃使用Y接法连接，C₁一端与输入端A连接，另一端与输出端N连接，同理C₂和C₃分别与输入端B、C端连接。

K₁、K₂串联，K₁、K₂串联的中点与N点连接，K₁另一端与D₁、D₂和D₃负极连接，K₂另一端与D₄、D₅和D₆正极连接，D1正极、D₄负极与A端相连，D₂正极、D₅负极与B端相连，D₃正极、D₆负极与C端相连。

更进一步的，所述的开关电路模块K₁、K₂可以为IGBT绝缘栅双极型晶体管、MOSFET、GTO或IGCT。

一种基于上述所述的交流-交流变换拓扑电路结构，可以应用于构成交流-交流差动式单相全桥变换拓扑结构，原交流-交流变换拓扑电路结构增加一组三个电容C₄-C₆和二个开关K₃和K₄，其中C₁和C₆的一端与输入端A连接、C₂和C₅的一端与输入端B连接、C₃和C₄的一端与输入端C连接，C₁-C₃另一端和开关K₃和K₄串联后的中点连接为N₁，C₄-C₆另一端和开关K₁和K₂串联后的中点连接为N₂。

一种上述的交流-交流变换拓扑电路结构，应用于三相交流-交流变换拓扑电路结构，即三相AC-AC变换拓扑电路结构，还包括开关电路模块K₃-K₆，电容C₄-C₉，其中，C₁-C₃与K₁和K₄组成U相，C₄-C₆与K₂、K₅组成V相，C₇-C₉与K₃、K₆组成W相，每一相连接方式与单相变换拓扑电路连接方式相同。A、B、C同步对三相电路进行输入。

一种基于上述的三相交流-交流变换拓扑电路结构，可以应用于构成三相四线制交流-交流变换拓扑电路结构，在原三相交流-交流变换拓扑电路结构输入端增加一组三个电容C₁₀-C₁₂，输出端增加两个开关K₇-K₈，连接方式与U相相同，组成N输出零点。这组三个电容为Y型连接，让这两个开关K₇、K₈工作，使N点保持在0V，即当输入电压或负载不平衡时，可用此电路拓扑结构。

一种基于三相交流-交流变换拓扑电路结构，可以应用于构成三相交流-交流变换输出低压电路，C₁-C₉电容每个分解为2个电容串联，即C_1a-C_9a和C_1b-C_9b，C_1a和C_1b串联至C_9a和C_9b串联，所述的二极管设置为D₁-D₁₈，由C_1a和C_1b串联电容的中点连接二极管D₁正极和D₁₀负极，同理其余8组电容和二极管连接方式相同，电容分成a和b两个部分，降低输入电压，即V+与V-之间的电压，使逆变开关管上的电压降低，降低对开关管的耐压要求，用在输出低压电路上。

一种交流-交流变换拓扑电路结构，可以应用于建立交流-交流转换电路，一种三相AC-AC变换电路，交流-交流转换电路在三相变换拓扑电路结构基础上还包括电感L₁、L₂、L₃，电容C₁₆、C₁₇、C₁₈，C₁₉、C₂₀、C₂₁，电容C₁、C₂、C₃，C₄、C₅、C₆，其中L₁的一端与输出端U连接，另一端与S₁和S₄的中点连接，L₂、L₃的连接同理L₁连接方式；C₁₆和C₁₉串联，串联中点与U端连接，C₁₆和C₁₉另外两端分别与D₁负极和D₄正极相连接；C₁₇和C₂₀串联，串联中点与V端连接，C₁₇和C₂₀另外两端分别与D₁负极和D₄正极相连接；C₁₈和C₂₁串联，串联中点与W端连接，C₁₈和C₂₁另外两端分别与D₁负极和D₄正极相连接；C₁、C₄串联的中点接A点，C₁的另一端接D₁负极，C₄的另一端接D₄正极，C₂、C₅和C₃、C₆连接同理于C₁、C₄连接方式。

一种交流-交流转换电路，应用于建立可以构成变换器，所述的转换电路包含有控制电路及检测电路，构成变换器。

一种三相交流-交流高压变换电路。基于上述三相交流-交流变换拓扑电路结构，结构如下，原电路结构中K₁由S₁、S₂、S₃、S₄电力电子开关模块串联构成，构成U相上臂，S₁电力电子开关模块由IGBTS₁、二极管D₁、电感L₁、电容C₁₆构成，同理，S₂、S₃、S₄由S₂、D₂、L₂、C₁₇，S₃、D₃、L₃、C₁₈，S₄、D₄、L₄、C₁₉构成，还包括K₄，K₄由S₅、S₆、S₇、S₈这四个电力电子开关模块构成，构成U相下臂，S₅电力电子开关模块由S₅、D₅、L₄、C₂₀构成，其中L₄为S₄、S₅电力电子开关模块所共用，同理，S₆、S₇、S₈电力电子开关模块由S₆、D₆、L₅、C₂₁，S₇、D₇、L₆、C₂₂，S₈、D₈、L₇、C₂₃构成。V相和W相的上、下臂构成与U相同。电容C₁、C₂、C₃，C₄、C₅、C₆两端分别连接在电源输入端与整流输出的正、负端，C₁、C₂、C₃的一端连接电源A、B、C端，另一端连接整流输出正端，C₄、C₅、C₆的一端连接电源A、B、C端，另一端连接整流输出负端。A、B、C同步对三相电路进行输入。

一种三相交流-交流高压多级变换电路。基于上述三相交流-交流变换拓扑电路结构，结构如下，原电路结构中将C₇-C₁₅中每个电容分解成四个电容的串联，对于U相，原权利要求4电路中C₇、C₈、C₉分解为C₇、C₁₆、C₁₇、C₁₈，C₈、C₁₉、C₂₀、C₂₁，C₉、C₂₂、C₂₃、C₂₄，在C₇与C₁₆之间、C₈与C₁₉之间、C₉与C₂₂之间连接D₇、D₈、D₉、D₁₀、D₁₁、D₁₂构成三相整流桥，D₇、D₈、D₉的负极连接S₂的集电极，D₁₀、D₁₁、D₁₂的正极连接S₇的发射极。同理，在C₁₆与C₁₇之间、C₁₉与C₂₀之间、C₂₂与C₂₃之间连接D₁₃、D₁₄、D₁₅、D₁₆、D₁₇、D₁₈构成三相整流桥，D₁₃、D₁₄、D₁₅的负极连接S₃的集电极，D₁₆、D₁₇、D₁₈的正极连接S₆的发射极。同理，在C₁₇与C₁₈之间、C₂₀与C₂₁之间、C₂₃与C₂₄之间连接D₁₉、D₂₀、D₂₁、D₂₂、D₂₃、D₂₄构成三相整流桥，D₁₉、D₂₀、D₂₁的负极连接S₄的集电极，D₂₂、D₂₃、D₂₄的正极连接S₅的发射极。由S₁、S₂、S₃、S₄组成的电力电子开关模块构成K₁，为U相的上臂，具体由S₁、D₆₁、L₁、C₄₃，S₂、D₆₂、L₂、C₄₄，S₃、D₆₃、L₃、C₄₅，S₄、D₆₄、L₄、C₄₆组成。由S₅、S₆、S₇、S₈组成的电力电子开关模块构成K₄，为U相的下臂，具体由S₅、D₆₅、L₄、C₄₇，S₆、D₆₆、L₅、C₄₈，S₇、D₆₇、L₆、C₄₉，S₈、D₆₈、L₇、C₅₀组成，其中L₄为S₄与S₅电力电子开关模块共用。同理，V相和W相与U相类同。电容C₁、C₂、C₃，C₄、C₅、C₆两端分别连接在电源输入端与总整流输出的正、负端，C₁、C₂、C₃的一端连接电源输入端A、B、C端，另一端连接总整流输出正端，C₄、C₅、C₆的一端连接电源A、B、C端，另一端连接总整流输出负端。A、B、C同步对三相电路进行输入。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

(1)本发明直接使用电容结合开关电路的拓扑结构，组成电路对电网电路直接进行交流-交流变换，电路简单，可控制性好；

(2)输入电流与输入电压基本同相，且输入电流与输入电压波形基本相同，故功率因数近似为1，因输出电压为正弦波，对环境的电磁辐射很小，故对输出电缆长度无限制；

(3)与现有的SPWM输出电压波形的变频器相比，本发明输出电压波形为正弦波，对外部电路，比如对上位机和PLC的影响小，系统更稳定；

(4)在AC-AC变换电路基础上可以配合相应的控制电路及检测电路等，可构成各种变换器，应用范围广，可移植性强；

(5)针对当输入电压或负载不平衡时，增加一组电容和两个开关，使得三相输入电压平衡，可解决由输入电压或负载不平衡造成的负载上的电压过高或过低的问题，使得电路稳定，输出稳定，控制比原有电路简单；

(6)在电路中增加几组电容和开关，以增加系统冗余，使得系统安全性更好，可靠性更强；

(7)AC-AC变换电路将功率因数校正、功率变换及输出滤波这三种功能电路结合在一起，提高了电能与机械能之间的转换效率，可以四相限运行、简化了电路结构、控制简单、减小了对外电路的干扰，工程上对输出电缆长度无限制、对电网污染小；

(8)由L₁、L₂、L₃与C₁₆、C₁₇、C₁₈，C₁₉、C₂₀、C₂₁组成的电路，可提高V+、V-之间的电压，在变换器满载时，不易欠电压；

(9)本发明的交流-交流转换电路，开关模块可以使用软开关技术，效率更高，可使用范围广，当K₁-K₆任一开关开路或短路，不会损坏电路其它部分；

(10)与原3*3直接矩阵AC-AC变换器相比，省去2/3的功率开关，控制变得非常简单，基本不要考虑死区直通问题，对电网电压的平衡度要求不高，与间接矩阵AC-AC变换器相比，也省去1/2的功率开关，控制电路也简单的多。间接矩阵AC-AC变换器的输出电压是SPWM电压波形，原3*3直接矩阵AC-AC变换器输出电压非正弦波，为脉宽不同的一系列方波串，这些就是现代电网重要污染源之一，本发明使得污染源减少，电网效率更高；

(11)该AC-AC变换电路整体内部电压突变点少，较容易屏蔽，电路可控制性强；

(12)该AC-AC变换电路的结构简单，材料成本低，基本只与同功率的AC-DC-AC变频器相当，但效率更高，控制更简单；

(13)该AC-AC变换电路可应用于高压变换领域，可取代原3x3直接矩阵AC-AC变换电路，控制电路非常简单；

(14)本发明还以应用在多种变换领域，如风力发电回馈并网技术、调压调速和软启动等民用和国防领域，本AC-AC变换器具有重要的应用价值和广泛的应用前景。

附图说明

图1为1路电容Y型接法图；

图2为N路电容Y型连接图；

图3为本发明交流-交流变换拓扑电路结构；

图4为本发明交流-交流差动式单相全桥变换拓扑电路结构；

图5为本发明三相交流-交流变换拓扑电路结构；

图6为本发明三相四线制交流-交流变换拓补电路结构；

图7为本发明三相交流-交流变换输出低压电路；

图8为本发明三相交流-交流变换输出低压电路简化电路；

图9为本发明三相交流-交流变换电路；

图10为本发明三相交流-交流变换电路其中的一相控制回路仿真运行图；

图11为本发明三相交流-交流变换电路U输出相瞬时电压向量图；

图12为本发明三相交流-交流变换电路V输出相瞬时电压向量图；

图13为本发明三相交流-交流变换电路W输出相瞬时电压向量图；

图14为本发明三相交流-交流变换电路中的三相输出电压向量重叠图；

图15为本发明三相交流-交流高压变换电路；

图16为本发明三相交流-交流高压多级变换电路；

图17为本发明三相交流-交流高压多级变换电路模块1；

图18为本发明三相交流-交流高压多级变换电路模块2；

图19为本发明三相交流-交流高压多级变换电路模块3；

图20为本发明三相交流-交流高压多级变换电路模块4。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

实施例

实施例1

根据现有技术中，进行三相电压和频率的转换方法，本发明给出了新的电能变换拓扑电路结构，即一种交流-交流变换拓扑电路结构。本交流-交流变换拓扑电路结构可以直接进行交流-交流电变换，不需要交流-直流-交流变换。

在三相380V50Hz的交流电网上，并入三个容量和耐压相同的电容C₁、C₂、C₃，如图1所示，为交流电网上1路电容Y型接法图，其中C₁＝C₂＝C₃，N为中点，A、B、C三点接入电网，若A、B、C三点电压值V_A＝V_B＝V_C，则V_N＝0V，即无论输入电压高低，频率高低，皆有V_N＝0V。对此电路进行扩展，如图2所示V_N1＝V_N2＝V_N3＝…V_NN＝0，图2为N路Y型电容连接图。

在图1的基础上添加电路，组成单相变换拓扑电路。如图3所示，N点两端增加上下两个开关电路模块K₁、K₂，开关电路模块K₁、K₂为电力电子开关，可以为IGBT绝缘栅双极型晶体管、MOSFET、GTO或IGCT等类型的电力电子开关，K₁所在为上臂，K₂所在为下臂，增加二极管D₁～D₆，K₁、K₂串联，K₁、K₂串联的中点与N点连接，K₁另一端与D₁、D₂和D₃负极连接，K₂另一端与D₄、D₅和D₆正极连接，D₁正极、D₄负极与A端相连，D₂正极、D₅负极与B端相连，D₃正极、D₆负极与C端相连。当K₁、K₂不工作时，N点与GND点之间等电位。即V_N.GND＝0，即图3电路实际等于图1电路。当给K₁、K₂输入给定脉宽调制波时，N点的电位将按给定的规律运动，若给定为三角波N点将会出现三角波、给定为正弦波将会出现正弦波，输入给定波形，输出将会出现相应的波形。若给定一个直流电位，在N点可得一相应的直流电位。

实施例2

根据实施例1所述的一种交流-交流变换拓扑电路结构，可以应用于构成交流-交流差动式单相全桥变换电路拓扑。如图4所示，在原交流-交流变换拓扑结构电路上增加一组三个电容C₄-C₆和二个开关K₃和K₄。其中C₁和C₆的一端与输入端A连接、C₂和C₅的一端与输入端B连接、C₃和C₄的一端与输入端C连接，C₁-C₃另一端和开关K₃和K₄串联后的中点连接为N₁，C₄-C₆另一端和开关K₁和K₂串联后的中点连接为N₂。

实施例3

实施例2的单相变换拓扑电路扩展可得三相变换拓扑电路结构。如图5所示，增加开关电路模块K₃～K₆，增加电容C₄～C₉，其中，C₁～C₃与K₁、K₄组成U相，C₄～C₆与K₂、K₅组成V相，C₇～C₉与K₃、K₆组成W相。每一相连接方式与单相变换拓扑电路连接方式相同。A、B、C同步对三相电路进行输入。在V_A＝V_B＝V_C,C₁＝C₂＝C₃，C₄＝C₅＝C₆，C₇＝C₈＝C₉，K₁～K₆不工作的情况下，U、V、W三个输出都是零伏，相当于输入与输出是隔离的。当给K₁～K₆输入相隔120°的三组脉宽调制波时，U、V、W三点的电位将按给定的规律运动。若给定为三相互隔120°的正弦波时，U、V、W三点出现三相互隔120°的正弦波电压波形。K₁～K₆中任意一个短路或开路，不会损坏其他电路。

实施例4

由上述实施例3的三相交流-交流变换拓扑结构电路，可以应用于构成三相四线制交流-交流变换拓扑电路结构。如图6所示，在原三相交流-交流变换拓扑电路结构输入端增加一组三个电容C₁₀-C₁₂，输出端增加两个开关K₇、K₈，组成N输出零点。三个电容C₁₀-C₁₂为Y型连接。两个开关K₇、K₈工作，使N点保持在零伏。即当输入电压或负载不平衡时，可用此电路拓扑结构。

实施例5

由上述实施例3的三相交流-交流变换拓扑电路结构，还可以应用于构成三相交流-交流变换输出低压电路。如图7所示，电容C₁-C₉每个分解为2个电容串联，即C_1a-C_9a和C_1b-C_9b，C_1a和C_1b串联至C_9a和C_9b串联。所述的二极管设置为D₁-D₁₈。由C_1a和C_1b串联电容的中点连接二极管D₁正极和D₁₀负极，同理其余8组串联电容连接方式相同。L₁的一端与输出端U连接，另一端与S₁和S₄的中点连接，L₂、L₃的连接同理L₁。开关S₁-S₆为绝缘栅双极型晶体管，开关S₁发射极与S₄集电极连接，同理S₂与S₅连接，S₃与S₆连接，S₁-S₆两端分别连接D₁₉-D₂₄，D₁₉正极连接S₁发射极，D₁₉负极连接S₁集电极，二极管D₂₀-D₂₄与相应开关S₂-S₆的连接方式同D₁₉。S₁-S₆也可以为其它类型电力电子器件。电容分成a和b两个部分，降低输入电压，即V+与V-之间的电压，使逆变开关管上的电压降低，降低对开关管的耐压要求，可以用在输出低压电路上。图8为其简化电路，输入电容C_1a、C_4a、C_9a合并为C_a；C_2a、C_5a、C_8a合并为C_b；C_3a、C_6a、C_7a合并为C_c。相应的D₁-D₁₈简化为D₁-D₆，D₁正极和D₄负极与C_a连接，同理C_b和C_c连接方式相同。

实施例6

由实施例3图5拓扑电路结构得到如下三相AC-AC变换电路，如图9所示。

在原拓扑电路的基础上，K₁～K₆开关电路选择为IGBT绝缘栅双极型晶体管S₁～S₆作为开关电路模块，增加了电感L₁、L₂、L₃，增加电容C₁₆、C₁₇、C₁₈，C₁₉、C₂₀、C₂₁，C₁、C₂、C₃，C₄、C₅、C₆电路。由于原图5拓扑中的电容C₁、C₂、C₃，C₄、C₅、C₆，C₇、C₈、C₉上的电压不能突变，故增加了L₁、L₂、L₃。L₁的一端与输出端U连接，另一端与S₁和S₄的中点连接，L₂、L₃的连接同理L₁。开关S₁-S₆为绝缘栅双极型晶体管IGBT，开关S₁发射极与S₄集电极连接，同理S₂与S₅连接，S₃与S₆连接，S₁-S₆两端分别连接D₇-D₁₂，D₇正极连接S₁发射极，D₇负极连接S₁集电极，D₈-D₁₂连接同理D₇。S₁-S₆也可以为其他类型电力电子器件，如MOSFET(金属-氧化层半导体场效晶体管)、GTO(可关断晶闸管)或IGCT(集成门极换流晶闸管)。工作中L₁、L₂、L₃三个电感中的能量需释放，故增加了C₁₆、C₁₇、C₁₈、C₁₉、C₂₀和C₂₁；其中C₁₆和C₁₉串联的中点与U端连接，C₁₆和C₁₉的另一端分别与D₁负极和D₄正极相连接；C₁₇和C₂₀串联的中点与V端连接，C₁₇和C₂₀的另一端分别与D₁负极和D₄正极相连接；C₁₈和C₂₁串联，串联中点与W端连接，C₁₈和C₂₁的另一端分别与D₁负极和D₄正极相连接；这样就形成了一个三相功率因数校正电路。为了不使原拓扑中的直流正负端电压升的过高，增加了C₁、C₂、C₃、C₄、C₅和C₆。在A点输入端两边分别增加C₁、C₄，C₁、C₄的另一端分别与D₁负极和D₄正极相连接，C₂、C₅和C₃、C₆连接同理于C₁、C₄连接方式。这样构成了三相AC-AC变换电路，即构成三相AC-AC变换器。

在AC-AC变换电路基础上可以配合相应的控制电路及检测电路等，可构成各种变换器，为进一步提高AC-AC变换电路的效率，可采用软开关技术。

本发明具体实施方式如下：由380V50Hz三相交流电转115V400Hz三相交流电，主电路如图9所示。控制电路三相中的一相仿真运行图，如图10所示，由PSIM仿真软件运行后,可得一组三个互隔120°，115V400Hz的正弦波交流输出电压。输入电流与输入电压基本同相，且输入电流近似为正弦波，输入电压为正弦波，故功率因数近似为1。因输出电压为正弦波，对环境的电磁辐射很小，故对输出电缆长度无限制。与现有的SPWM输出电压波形的变频器相比，对上位机和PLC的影响要小得多。图9电路中，C₇、C₈、C₉，C₁₀、C₁₁、C₁₂，C₁₃、C₁₄、C₁₅为电路的主体结构，电容容量比C₁、C₂、C₃，C₄、C₅、C₆，C₁₆、C₁₇、C₁₈，C₁₉、C₂₀、C₂₁的容量大3倍以上，这些主体结构中电容上的电压为：

$\left\{\begin{array}{cc}{v}_{C7}=v_A-v_U& (1-1a)\\ v_{C8}=v_B-v_U& (1-1b)\\ v_{C9}=v_C-v_U& (1-1c)\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{cc}{v}_{C10}=v_A-v_V& (1-2a)\\ v_{C11}=v_B-v_V& (1-2b)\\ v_{C12}=v_C-v_V& (1-2c)\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{cc}{v}_{C15}=v_A-v_W& (1-3a)\\ v_{C14}=v_B-v_W& (1-3b)\\ v_{C13}=v_C-v_W& (1-3c)\end{array}\right.$

由(1-1a)，(1-1b)，(1-1c)，(1-2a)，(1-2b)，(1-2c)，(1-3a)，(1-3b)，(1-3c)这9个公式可知：

其中U_i为输入电压有效值，U_o为输出电压有效值，φ₁为输入电压相位角，φ₂为输出电压相位角。

由(2-1a)，(2-1b)，(2-1c)，(2-2a)，(2-2b)，(2-2c)，(2-3a)，(2-3b)，(2-3c)公式可知v_C7、v_C8、v_C9、v_C10、v_C11、v_C12、v_C13、v_C14、v_C15为输入电压的瞬时值减去输出电压的瞬时值，即由输入电压380V50Hz的瞬时值减去输出电压115V400Hz的瞬时值，只是输入和输出各为三个互隔120°的交流电压。这样，在这9个电容中的电压波形都相似，但都不相同。下面以向量图来表示：

图11、图12、图13分别是U、V、W三个输出相某瞬时的电压向量图，它们都有一个大圆和一个小圆，小圆为虚线，大圆是输入电压向量，在外面以O点为圆心，顺时针或逆时针旋转，即电压以A、B、C相序旋转或以B、A、C相序旋转，频率为50Hz，小圆为输出电压向量，在大圆内也以O点为圆心，顺时针或逆时针旋转，即以U、V、W相序或V、U、W相序旋转，频率为400Hz，因故由对称性可得，将这三个圆重叠在一起，可得：三相输出电压向量重叠图，如图14所示，向量式如下：

$(\stackrel{\→}{V_{C7}}+\stackrel{\→}{V_{C10}}+\stackrel{\→}{V_{15}})+(\stackrel{\→}{V_{C8}}+\stackrel{\→}{V_{C11}}+\stackrel{\→}{V_{C13}})+(\stackrel{\→}{V_{C9}}+\stackrel{\→}{V_{C12}}+\stackrel{\→}{V_{C13}})=\stackrel{\→}{0}---(2-4)$

可得图9的三个输入端及三个输出端的电压，电流分别全对称。因输出U、V、W端的电压是由S₁S₄、S₂S₅、S₃S₆分别导通、关断得到的。下面分析S₁S₄线路，即U相电压的形成，参见图11。当V_A高，V_B、V_C低时，要使V_U上升，则S₁导通、关断、导通；要使V_U下降，则S₄导通、关断、导通。

当S₁导通时C₇放电，C₈、C₉充电。即A相电流和C₇的放电电流同时通过D₁，再通过S₁(S₁导通)，给L₁充磁，给C₈、C₉充电，电流通过C₈到B相，通过C₉到C相，即电流A相进，B相C相出。当V_B＞V_C时，C₉的充电电流大于C₈的充电电流，反之，亦反。当S₁关断时，L₁中的电感电流通过D₁₀，一路给C₁₉充电。另一路给C₇与C₄的串联电路、C₈与C₅的串联电路和C₉与C₆的串联电路充电，这样进一步提升了V_U的电位。当S₁再次导通时，重复上述过程。

当S₄导通时，与S₁导通相反，C₇充电，C₈、C₉放电，即A相电流通过S₄导通降低V_U电位，给C₇充电，同时C₈、C₉通过L₁充磁后穿过S₄，再通过D₅、D₆给C₈、C₉放电。同时部分电流回到B相和C相，即A相进，B相和C相出。当V_B＞V_C时，C₉的放电电流大于C₈的放电电流，反之，亦反。当S₄关断时，L₁中的电感电流通过D₇，一路给C₁₆充电，另一路给C₇与C₁的串联，C₈与C₂的串联和C₉与C₃的串联电路充电。这样进一步降低了V_U的电位。当S₄再次导通时，重复上述过程。

这是U相电压形成的过程，V相、W相电压形成过程同理。

在上述分析中，A相流向B相和C相的电流，与A相到B相、A相到C相的电压成正比，即该三相AC-AC变换主电路有很高的功率因数。由L₁、L₂、L₃与C₁₆、C₁₇、C₁₈，C₁₉、C₂₀、C₂₁组成的电路，可提高V+、V-之间的电压，在变换器满载时，不易欠电压。C₁、C₂、C₃，C₄、C₅、C₆可限制V+、V-之间的电压，不至于过高。

由图14三相输出电压向量重叠图可见，建立三个电压向量，即虚线圆中的电压向量，需要电网向该AC-AC变换器提供能量，供电机运转，向外提供电动力做功。当电机需要停止，如回馈制动时，或者电机被外力作用时，如进行风力发电时，该三相AC-AC变换器可以将能量回馈电网，即若电压值V_U＞0，下臂S₄导通，关断，导通；若电压值V_U＜0，上臂S₁导通，关断，导通。相类同，向着虚线圆减小的方向运行，即向着三个电压向量减小的方向运行，可实现电机快速停止和风力并网发电。

当输出电压低于输入电压较多时，可参见图7和图8，为两种三相交流-交流变换输出低压电路。

该三相AC-AC变换器内部电压突变点少，较容易屏蔽。

与原3*3直接矩阵AC-AC变换器相比，省去2/3的功率开关，控制变得非常简单，基本不要考虑死区直通问题，对电网电压的平衡度要求不高。

与间接矩阵AC-AC变换器相比，也省去1/2的功率开关，控制电路也简单的多。

间接矩阵AC-AC变换器输出是SPWM电压波形，原3*3直接矩阵AC-AC变换器的输出为脉宽不同的一系列方波串，输出电压均非正弦波，这些就是现代电网重要污染源之一。

该AC-AC变换器的材料成本只与同功率的AC-DC-AC变频器相当。

本发明还可以应用在多种变换领域。可以将三相380V50Hz交流电变换为飞机所用的恒压恒频电源输出特性；可以用在交流电机变频调速；飞机变速恒频电源；正弦交流稳压电源；交流调压电源；大功率音频放大器；大功率超声波放大器；机载电子变压器；风力发电并网技术、调压调速和软启动等民用和国防领域。

当图5拓扑用于交流变频调速时，由图9与图10的组合，对图10的信号源、反馈和运算电路进行调整，即可适合交流异步电机，交流伺服电机，交流永磁电机，交流同步电机工作。对于交流异步电机而言，信号源1要求具有V/f特性，且可进行图形调整，即低速端重载还是轻载，高速端需恒功率特性，以适合恒转矩负载或风机类负载的需求。反馈电路部分的传感器，可以改为输出端电流反馈，输出端传感器可以为3个或2个，3个或2个电流反馈可以通过各自的运算电路得到直接转矩控制特性或空间矢量控制特性。交流伺服电机用该AC-AC变换器驱动时，比原方波驱动输出特性更好，脉动更小，能满足在大范围高速，高精度控制的要求。交流永磁电机，交流同步电机与交流异步电机相似，可以仿照上面对交流异步电机的特性要求建立系统，以正弦波电压的输出特性替换方波电压输出特性，使系统输出稳定性更高，对外电磁干扰和噪音更小。

由该AC-AC变换器完成飞机变速恒频电源的功能时，由图9与图10的电路组合，可以直接得到三相115V400Hz交流电(变频变压交流电/115V400HzAC)。

由该AC-AC变换器完成正弦交流稳压电源的功能时，由图9与图10的电路组合，对信号源1更改为380V50Hz，减小C1、C2、C3、C4、C5、C6的容量，可以将三相AC380V50Hz非稳定电压稳定为三相AC380V50Hz正弦波电压。

由AC-AC变换器完成交流调压电源的功能时，由图9与图10的组合，对信号源1更改为电压可调，50Hz即可(三相AC380V50Hz/三相AC电压可调的50Hz正弦波电压)。

由AC-AC变换器完成大功率音频放大器或大功率超声波放大器的功能时，由图9与图10的电路组合，将图9中的3路输出U、V、W闲置1路(如W路)，将图10中的3路控制电路也闲置1路(如W路)，将图10中U、V相的信号源1去除，在U、V相之间接1路差动音频信号源或1路超声波信号源即可，构成电源和放大器一体化电路。

由AC-AC变换器完成机载电子变压器的功能时，由图9与图10的电路组合，将图10中的信号源1更改为36V即可(115V400HzAC/36V400HzAC)。

由AC-AC变换器完成调压调速时与完成交流调压电源相同。

由AC-AC变换器完成软启动的功能时与完成交流调压电源相近，只是电压由0V上升到额定电压值有时间的要求。

在风力发电并网技术，调压调速和软启动等民用和国防领域，本AC-AC变换器具有重要的应用价值和广泛的应用前景。

实施例7

如图15所示，基于上述图5所述的三相交流-交流变换拓扑电路结构，构成一种三相交流-交流高压变换电路。所述的电路，K₁由S₁、S₂、S₃、S₄电力电子开关模块串联构成，构成U相上臂，S₁电力电子开关模块由IGBT绝缘栅双极型晶体管S₁作为基础、增加二极管D₁、电感L₁、电容C₁₆构成，二极管D₁正极与S₁发射极和电感L₁一端连接，负极与S₁集电极和电容C₁₆一端连接，电感L₁另一端与电容C₁₆另一端连接，S₁集电极与D₁负极连接；同理，S₂、S₃、S₄由S₂、D₂、L₂、C₁₇，S₃、D₃、L₃、C₁₈，S₄、D₄、L₄、C₁₉构成。还包括K₄，K₄由S₅、S₆、S₇、S₈这四个电力电子开关模块构成，构成U相下臂，S₅电力电子开关模块由S₅、D₅、L₄、C₂₀构成，其中L₄为S₄、S₅电力电子开关模块所共用，同理，S₆、S₇、S₈电力电子开关模块由S₆、D₆、L₅、C₂₁，S₇、D₇、L₆、C₂₂，S₈、D₈、L₇、C₂₃构成。V相和W相的上、下臂构成与U相同。电容C₁、C₂、C₃，C₄、C₅、C₆两端分别连接在电源输入端与整流输出的正、负端，C₁、C₂、C₃的一端连接电源A、B、C端，另一端连接整流输出正端，C₄、C₅、C₆的一端连接电源A、B、C端，另一端连接整流输出负端。A、B、C同步对三相电路进行输入。此电路为三相多级上拉和下拉电路组成的高压变换拓扑结构，针对交流-交流高压电路的变换损耗少，结构简单，成本低，可利用面广。

实施例8

基于上述图5所述交流-交流变换拓扑电路结构，构成一种三相交流-交流高压多级变换电路。其由多级分压整流与多级上拉和多级下拉电路相连组成。如图16所示，由于图过大，分为图17、图18、图19和图20四个模块。将图5所述交流-交流变换拓扑电路结构中C₇-C₁₅每个电容分解成四个电容的串联，对于U相，原图5电路中C₇、C₈、C₉分解为C₇、C₁₆、C₁₇、C₁₈，C₈、C₁₉、C₂₀、C₂₁，C₉、C₂₂、C₂₃、C₂₄，在C₇与C₁₆之间、C₈与C₁₉之间、C₉与C₂₂之间连接D₇、D₈、D₉、D₁₀、D₁₁、D₁₂构成三相整流桥，D₇、D₈、D₉的负极连接S₂的集电极，D₁₀、D₁₁、D₁₂的正极连接S₇的发射极。同理，在C₁₆与C₁₇之间、C₁₉与C₂₀之间、C₂₂与C₂₃之间连接D₁₃、D₁₄、D₁₅、D₁₆、D₁₇、D₁₈构成三相整流桥，D₁₃、D₁₄、D₁₅的负极连接S₃的集电极，D₁₆、D₁₇、D₁₈的正极连接S₆的发射极。同理，在C₁₇与C₁₈之间、C₂₀与C₂₁之间、C₂₃与C₂₄之间连接D₁₉、D₂₀、D₂₁、D₂₂、D₂₃、D₂₄构成三相整流桥，D₁₉、D₂₀、D₂₁的负极连接S₄的集电极，D₂₂、D₂₃、D₂₄的正极连接S₅的发射极。由S₁、S₂、S₃、S₄组成的电力电子开关模块构成K₁，为U相的上臂，具体由S₁、D₆₁、L₁、C₄₃，S₂、D₆₂、L₂、C₄₄，S₃、D₆₃、L₃、C₄₅，S₄、D₆₄、L₄、C₄₆组成。由S₅、S₆、S₇、S₈组成的电力电子开关模块构成K₄，为U相的下臂，具体由S₅、D₆₅、L₄、C₄₇，S₆、D₆₆、L₅、C₄₈，S₇、D₆₇、L₆、C₄₉，S₈、D₆₈、L₇、C₅₀组成，其中L₄为S₄与S₅电力电子开关模块共用。同理，V相和W相连接方式与U相类同。电容C₁、C₂、C₃，C₄、C₅、C₆两端分别连接在电源输入端与总整流输出的正、负端，C₁、C₂、C₃的一端连接电源输入端A、B、C端，另一端连接总整流输出正端，C₄、C₅、C₆的一端连接电源A、B、C端，另一端连接总整流输出负端。A、B、C同步对三相电路进行输入。

以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种交流-交流变换拓扑电路结构，包括输入端A、B、C，输出端N，其特征在于：还包括电容C₁、C₂、C₃，二极管D₁-D₆，开关电路模块K₁、K₂，其中C₁、C₂、C₃容量和耐压相同，电容C₁、C₂、C₃为Y接法连接，C₁一端与输入端A连接，另一端与输出端N连接，同理C₂和C₃的另一端分别与输入端B、C端连接；

K₁、K₂串联，K₁、K₂串联的中点与N点连接，K₁另一端与D₁、D₂和D₃负极连接，K₂另一端与D₄、D₅和D₆正极连接，D₁正极、D₄负极与A端相连，D₂正极、D₅负极与B端相连，D₃正极、D₆负极与C端相连接。

2.根据权利要求1所述的一种交流-交流变换拓扑电路结构，其特征在于：所述的开关电路模块K₁、K₂为电力电子开关。

3.一种基于权利要求1或2所述的一种交流-交流变换拓扑电路结构，应用于构成交流-交流差动式单相全桥变换拓扑结构，其特征在于：在1或2所述电路中增加一组三个电容C₄-C₆和二个开关K₃和K₄，其中C₁和C₆的一端与输入端A连接、C₂和C₅的一端与输入端B连接、C₃和C₄的一端与输入端C连接；C₁-C₃另一端和开关K₃和K₄串联后的中点连接为N₁，C₄-C₆另一端和开关K₁和K₂串联后的中点连接为N₂。

4.一种基于权利要求2所述的交流-交流变换拓扑电路结构，应用于三相交流-交流变换拓扑电路结构，其特征在于：还包括开关电路模块K₃-K₆，电容C₄-C₉，其中，C₁-C₃与K₁和K₄组成U相，C₄-C₆与K₂、K₅组成V相，C₇-C₉与K₃、K₆组成W相，每一相连接方式与单相变换拓扑连接方式相同，A、B、C同步对三相电路进行输入。

5.一种基于权利要求4所述的三相交流-交流变换拓扑电路结构，应用于构成三相四线制交流-交流变换拓扑电路结构，其特征在于：在原交流-交流变换拓扑电路结构输入端增加一组三个电容C₁₀-C₁₂，两个开关K₇-K₈，连接方式与U相相同，组成N输出零点。

6.一种基于权利要求4所述的三相交流-交流变换拓扑电路结构，应用于构成交流-交流变换输出低压电路，其特征在于：C₁-C₉电容每个分解为2个电容串联，即C_1a-C_9a和C_1b-C_9b，C_1a和C_1b串联至C_9a和C_9b串联，所述的二极管设置为D₁-D₁₈，由C_1a和C_1b串联电容的中点连接二极管D₁正极和D₁₀负极，同理其余8组电容和二极管连接方式相同。

7.基于权利要求4所述的交流-交流变换拓扑电路结构，应用于建立交流-交流转换电路，一种三相AC-AC变换电路，其特征在于：基于权利要求4电路还包括电感L₁、L₂、L₃，电容C₁₆、C₁₇、C₁₈，C₁₉、C₂₀、C₂₁，电容C₁、C₂、C₃，C₄、C₅、C₆，其中L₁的一端与输出端U连接，另一端与S₁和S₄的中点连接，L₂、L₃的连接同理L₁连接方式；C₁₆和C₁₉串联，串联中点与U端连接，C₁₆和C₁₉另外两端分别与D₁负极和D₄正极相连接；C₁₇和C₂₀串联，串联中点与V端连接，C₁₇和C₂₀另外两端分别与D₁负极和D₄正极相连接；C₁₈和C₂₁串联，串联中点与W端连接，C₁₈和C₂₁另外两端分别与D₁负极和D₄正极相连接；C₁、C₄串联的中点接A点，C₁的另一端接D₁负极，C₄的另一端接D₄正极，C₂、C₅和C₃、C₆连接同理于C₁、C₄连接方式。

8.根据权利要求7所述的一种交流-交流转换电路，应用于组建成变换器，其特征在于：所述的转换电路包含有控制电路及检测电路，构成变换器。

9.基于权利要求4所述的三相交流-交流变换拓扑电路结构，应用于建立交流-交流高压转换电路，为三相交流-交流高压变换电路，其特征在于：基于权利要求4所述的电路，K₁由S₁、S₂、S₃、S₄电力电子开关模块串联构成，构成U相上臂，S₁电力电子开关模块由IGBTS₁、二极管D₁、电感L₁、电容C₁₆构成，同理，S₂、S₃、S₄由S₂、D₂、L₂、C₁₇，S₃、D₃、L₃、C₁₈，S₄、D₄、L₄、C₁₉构成；还包括K₄，K₄由S₅、S₆、S₇、S₈这四个电力电子开关模块构成，构成U相下臂，S₅电力电子开关模块由S₅、D₅、L₄、C₂₀构成，其中L₄为S₄、S₅电力电子开关模块所共用，同理，S₆、S₇、S₈电力电子开关模块由S₆、D₆、L₅、C₂₁，S₇、D₇、L₆、C₂₂，S₈、D₈、L₇、C₂₃构成，V相和W相的上、下臂构成与U相同；电容C₁、C₂、C₃，C₄、C₅、C₆两端分别连接在电源输入端与整流输出的正、负端，C₁、C₂、C₃的一端连接电源A、B、C端，另一端连接整流输出正端，C₄、C₅、C₆的一端连接电源A、B、C端，另一端连接整流输出负端，A、B、C同步对三相电路进行输入。

10.基于权利要求4所述的三相交流-交流变换拓扑电路结构，应用于建立三相交流-交流高压多级变换电路，其特征在于：基于权利要求4电路，将C₇-C₁₅中每个电容分解成四个电容的串联，对于U相，原权利要求4电路中C₇、C₈、C₉分解为C₇、C₁₆、C₁₇、C₁₈，C₈、C₁₉、C₂₀、C₂₁，C₉、C₂₂、C₂₃、C₂₄，在C₇与C₁₆之间、C₈与C₁₉之间、C₉与C₂₂之间连接D₇、D₈、D₉、D₁₀、D₁₁、D₁₂构成三相整流桥，D₇、D₈、D₉的负极连接S₂的集电极，D₁₀、D₁₁、D₁₂的正极连接S₇的发射极，同理，在C₁₆与C₁₇之间、C₁₉与C₂₀之间、C₂₂与C₂₃之间连接D₁₃、D₁₄、D₁₅、D₁₆、D₁₇、D₁₈构成三相整流桥，D₁₃、D₁₄、D₁₅的负极连接S₃的集电极，D₁₆、D₁₇、D₁₈的正极连接S₆的发射极，同理，在C₁₇与C₁₈之间、C₂₀与C₂₁之间、C₂₃与C₂₄之间连接D₁₉、D₂₀、D₂₁、D₂₂、D₂₃、D₂₄构成三相整流桥；D₁₉、D₂₀、D₂₁的负极连接S₄的集电极，D₂₂、D₂₃、D₂₄的正极连接S₅的发射极，由S₁、S₂、S₃、S₄组成的电力电子开关模块构成K₁，为U相的上臂，具体由S₁、D₆₁、L₁、C₄₃，S₂、D₆₂、L₂、C₄₄，S₃、D₆₃、L₃、C₄₅，S₄、D₆₄、L₄、C₄₆组成，由S₅、S₆、S₇、S₈组成的电力电子开关模块构成K₄，为U相的下臂，具体由S₅、D₆₅、L₄、C₄₇，S₆、D₆₆、L₅、C₄₈，S₇、D₆₇、L₆、C₄₉，S₈、D₆₈、L₇、C₅₀组成，其中L₄为S₄与S₅电力电子开关模块共用，同理，V相和W相与U相类同；电容C₁、C₂、C₃，C₄、C₅、C₆两端分别连接在电源输入端与总整流输出的正、负端，C₁、C₂、C₃的一端连接电源输入端A、B、C端，另一端连接总整流输出正端，C₄、C₅、C₆的一端连接电源A、B、C端，另一端连接总整流输出负端，A、B、C同步对三相电路进行输入。